智能家居燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 艷

山東技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200

0 引言

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，人們的生活水平大幅提高，對居住環(huán)境提出了更高的要求，不僅需要滿足日常遮風(fēng)擋雨的功能，還應(yīng)具有健康、舒適等特點(diǎn)。在日常的生活環(huán)境中，燈光控制系統(tǒng)具有重要作用，很多區(qū)域?yàn)榱诉_(dá)到相應(yīng)的照明條件，需要安裝大量的燈具系統(tǒng)，這些燈具的控制開關(guān)分布不均勻，給整體燈光控制帶來消極影響。目前，大部分家庭使用的家庭燈光控制系統(tǒng)都是有線系統(tǒng)，雖然這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對較為簡單，但是布線的難度相對較大，而且不容易改動(dòng)，如果后續(xù)需要進(jìn)行設(shè)備的增減，則其接線過程的復(fù)雜度和能耗度都較高，甚至存在工期長、移動(dòng)困難等缺點(diǎn)。在無線通信技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，燈光控制技術(shù)也變得越發(fā)簡便，文章主要研究使用無線通信技術(shù)進(jìn)行智能家居燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及安裝[1]。

1 整體方案

目前燈光控制系統(tǒng)存在的問題相對較多，例如，需要增加照明類型的數(shù)量不斷上升，關(guān)于如何進(jìn)行布局的規(guī)劃以及布線的規(guī)劃，甚至是人力物力和成本的規(guī)劃，都需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力。為了有效避免有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，文章提出無線通信傳輸方法。終端節(jié)點(diǎn)、控制中心和移動(dòng)終端是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。終端節(jié)點(diǎn)包括燈光亮度調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，以及能夠從控制中心進(jìn)行命令接收的無線通信電路。控制中心主要包括鍵盤電路與終端節(jié)點(diǎn)往來交互的無線通信，以及移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)交互的藍(lán)牙通信系統(tǒng)，可以通過移動(dòng)終端的App發(fā)送指令，保證控制中心在獲取信息和指令后快速進(jìn)行下一個(gè)環(huán)節(jié)的操作，而且可以以藍(lán)牙為基礎(chǔ)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的接收，再通過無線通信傳輸?shù)浇K端節(jié)點(diǎn)，從而利用手機(jī)進(jìn)行燈光的控制和調(diào)節(jié)。此外，控制中心還可以使用按鍵調(diào)控的方式，控制某一個(gè)房間的燈光。

2 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分為終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)與終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容。終端節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及組件復(fù)雜度相對較高，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、燈光控制電路系統(tǒng)。同時(shí)，無線通信電路的運(yùn)行效率直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。其中，單片機(jī)具有重要作用，對整個(gè)系統(tǒng)的工作起到指揮作用，單片機(jī)可以選擇具有低功耗特點(diǎn)的元器件。燈光作為設(shè)計(jì)中的主要控制對象，設(shè)計(jì)中選用了LED為控制中心執(zhí)行控制的作用機(jī)制。系統(tǒng)只需提供寬和窄的數(shù)字脈沖,就可以有效調(diào)節(jié)LED的亮度，同時(shí)可以保證系統(tǒng)的白光質(zhì)量相對較高，具有效率高、應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)?？刂浦行呐c終端節(jié)點(diǎn)的無線通信選擇工作在2.4 GHz射頻的nRF24L01，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，與Wi-Fi技術(shù)相比，其傳輸距離更遠(yuǎn)但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量在低功耗模式和空閑模式時(shí)卻比Wi-Fi更小，這樣在設(shè)計(jì)上更容易做到節(jié)能。

從終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)的角度分析，需要以nRF24L01初始化作為基礎(chǔ)在初始化定時(shí)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸出電路的模擬工作，定初值為100，同時(shí)開展數(shù)據(jù)的讀取以及分析工作，使其進(jìn)入緩沖區(qū)。判斷緩沖期是否具有數(shù)據(jù)和信息，如果區(qū)域內(nèi)具有大量的數(shù)據(jù)和信息，則需要進(jìn)行系統(tǒng)分析工作，解析指令修改相關(guān)的比例，在LED具有閃爍信號(hào)的情況下，說明系統(tǒng)已經(jīng)修改成功。如果區(qū)域內(nèi)沒有數(shù)據(jù)，則需要重新進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的等待接收和處理[2]。

3 控制中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

在控制中心中，除了單片機(jī)最小系統(tǒng)核心元器件，還包括無線通信部分、藍(lán)牙部分和鍵盤電路部分的內(nèi)容，其中無線通信部分仍然選擇nRF24L01。一般情況下藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸距離都控制在10 m之內(nèi)，可以支持點(diǎn)對點(diǎn)的連接，也可以支持點(diǎn)對多通信的連接，從而保證手機(jī)和其他移動(dòng)終端可以進(jìn)入無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，以更好進(jìn)行數(shù)據(jù)通信分析。與其他系統(tǒng)相比，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高，可以將其作為替代數(shù)據(jù)電纜長距離無線通信技術(shù)的主要工具和載體，該方案主要使用藍(lán)牙系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)終端數(shù)據(jù)的接收工作。鍵盤電路用來使用戶直接控制燈的開關(guān)和亮暗。單擊為開或者關(guān)，長按為調(diào)節(jié)亮暗模式。

3.2 程序設(shè)計(jì)

控制中心主要包括鍵盤、藍(lán)牙、nRF24L01，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)可以保證移動(dòng)終端和終端節(jié)點(diǎn)的通信目的得到實(shí)現(xiàn)。在此過程中，需要先對串口和nRF24L01進(jìn)行初始化，然后掃描按鍵,判斷是否有數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)和信息屬于哪種類型的操作指令。如果數(shù)據(jù)屬于短按數(shù)據(jù)，說明對燈的開關(guān)進(jìn)行控制；如果屬于長按數(shù)據(jù)，則說明是對燈的亮度進(jìn)行控制?？刂浦行某绦蛄鞒倘鐖D1所示。如果按鍵中沒有數(shù)據(jù)，則需要等待藍(lán)牙移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸是否到達(dá)，然后再次判斷是否有數(shù)據(jù)信息。在獲取到數(shù)據(jù)信息的指令后，立即開展相應(yīng)的修改工作，如果沒有數(shù)據(jù)信息，則需要重新進(jìn)入接收狀態(tài)[3]。

圖1 控制中心程序流程圖

4 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端部分包括初始界面設(shè)計(jì)和控制界面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

4.1 初始界面設(shè)計(jì)

初始界面設(shè)計(jì)主要是以移動(dòng)終端連接以及佩戴藍(lán)牙設(shè)備作為基礎(chǔ)。在此過程中，需要先初始化鏡面，配置參數(shù)，并對藍(lán)牙進(jìn)行初始化，再開展全線的檢查工作，最終判斷Android版本是否在6.0以上。在完成以上操作后讀取系統(tǒng)和藍(lán)牙配對的數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)擊刷新的方式，不斷地更新數(shù)據(jù)，直至系統(tǒng)中出現(xiàn)可以操作的配對選項(xiàng)，再點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)到控制頁面中，從而對燈光進(jìn)行有效控制。

4.2 控制界面設(shè)計(jì)

控制界面中具有4個(gè)滑動(dòng)條的數(shù)據(jù)，每個(gè)滑動(dòng)條的數(shù)據(jù)可以對一盞燈進(jìn)行控制，如果滑動(dòng)數(shù)據(jù)為0%，說明開關(guān)裝置屬于關(guān)閉狀態(tài)；100%則為最亮。系統(tǒng)在接收到界面滑動(dòng)數(shù)據(jù)和信息后，第一時(shí)間應(yīng)該判斷數(shù)據(jù)是否真實(shí)有效，在數(shù)據(jù)真實(shí)有效的情況下，可以將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)設(shè)置到占空比狀態(tài)，再按照數(shù)據(jù)的比例進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)工作，最后向藍(lán)牙板塊發(fā)送控制信息。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下六個(gè)方面：第一，將單片機(jī)的系統(tǒng)始終進(jìn)行初始化；第二，將初始化IO端口與初始化LED硬件接口進(jìn)行連接；第三，將初始化定時(shí)器和串行端口連接，通過設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率以及計(jì)數(shù)值，甚至是串行端口波特率的方式，保證系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)；第四，將單片機(jī)通過串口進(jìn)行初始化后，保證系統(tǒng)可以進(jìn)入正常運(yùn)行模式，并且允許連接開展端口號(hào)的創(chuàng)建工作；第五，對無線傳輸窗口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，判斷是否接收到數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析處理，如果沒有接收到數(shù)據(jù)，則需要繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測；第六，對無線傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以及處理，并且根據(jù)解析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值的控制設(shè)計(jì)，從而調(diào)節(jié)LED燈的開關(guān)亮度。

6 結(jié)束語

目前，我國智能家居燈光控制系統(tǒng)的研究仍然處于初步階段，規(guī)模相對較小，而且應(yīng)用范圍無法得到快速拓寬，但是相信在未來一段時(shí)間內(nèi)，智能家居燈光控制系統(tǒng)將會(huì)廣泛應(yīng)用在普通家庭場所中。文章對目前廣泛應(yīng)用的無線通信技術(shù)以及智能家居的概念進(jìn)行了簡單描述，并且研究開發(fā)了一種以無線通信技術(shù)作為基礎(chǔ)的燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在運(yùn)行期間，可以通過將各種指令傳輸?shù)角岸藷艄庠O(shè)備的控制中心，對這些數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行綜合分析，可實(shí)現(xiàn)燈光多樣化控制，甚至可以避免燈光控制系統(tǒng)的布線問題。